Dando continuidade sobre medição de pressão, falarei um
pouco sobre os sensores dos transmissores de pressão, a pressão é a variável
mais utilizada em praticamente qualquer planta industrial, principalmente
porque com ela se pode medir outras grandezas como nível, temperatura, vazão e
até análises.
Com a necessidade de monitoramento e controle das variáveis
de processo a transmissão de sinais se tornou algo fundamental e apresentou uma
evolução fantástica da era pneumática a era digital, os inúmeros tipos de sensores
de pressão são acoplados aos transmissores e os transmissores devem processar
essa informação e modifica-lo para um padrão de comunicação.
O foco desse artigo serão os tipos de sensores dos
transmissores de pressão eletrônicos.
Elementos do transmissor
O transmissor normalmente é um equipamento divido em dois,
sendo o elemento sensor, que recebe o sinal de processo e modifica para o
transmissor que envia o sinal padronizado para um sistema de controle ou
monitoramento.
Os elementos do transmissor são:
Sensor
É um dispositivo que converte uma variável física, como a
pressão, em uma quantidade analógica entre limites, geralmente mecânica por
deslocamento ou elétrica (tensão, corrente ou resistência). O sensor está em
contato com o processo e envia um sinal não padronizado e dependente do valor do
processo.
O sensor pode ser também chamado de elemento primário, probe, detector e transdutor, sendo esse
último também à denominação de qualquer dispositivo que converte um sinal de
entrada em um sinal de saída de forma diferente.
Transmissor
Instrumento que processa o sinal do sensor e gera um sinal
padronizado pneumático, eletrônico ou digital proporcional ao valor da
variável. A entrada do transmissor não é padronizada (já que depende dos sinais
do sensor) e sua saída é padrão de natureza igual ou distinta.
É desejável que a saída do transmissor seja linearmente
proporcional a variável medida, mas nem sempre isso é possível, como no caso da
medição de vazão por pressão diferencial.
Os sinais mais comuns analógicos normalmente estão em uma
relação 5:1, sendo essa relação de proporcionalidade entre os valores máximo e
mínimo respectivamente:
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| Relação 5:1 em sinais analógicos |
Afinal, o que isso significa?
Pensando em um transmissor de pressão com faixa de trabalho
de 0 a 15 bar e configurado de 0 a 10 bar com sinal de saída de 4 a 20 mA, qual
a relação proporcional do sinal?
Apesar de o transmissor suportar uma pressão de 15 bar
máximo, ele foi configurado com limite superior de 10 bar, portanto o 20 mA
corresponde a 10 bar.
Trabalhando com função de transferência linear.
A norma que rege a padronização dos sinais eletrônicos é a ANSI/ISA-50.00.01-1975
(R2012), Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial
Process Instruments.
Tipos de sensores disponíveis
Abaixo serão descritos
alguns tipos de elementos sensores eletrônicos
- Sensor por célula capacitiva
Esse sensor consiste na
deformação das armaduras de um capacitor. Tal deformação altera o valor da
capacitância total, que é medida e convertida por um circuito eletrônico.
Devido a falta de linearidade inerente entre a capacitância e a distância das
armaduras, devido a deformação não linear, a linearização é realizada pelo
circuito eletrônico.
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| Ilustração retirada do artigo sobre pressão do Engº Cesar Cassiolato - Smar |
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| Formas construtivas |
O sensor é formado por:
- Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido
- Armadura móvel (diafragma do sensor)
- Dielétrico formado pelo óleo de enchimento, sendo que o tipo de óleo depende da temperatura (fluído pode evaporar), pressão (principalmente em vácuo que altera o ponto de vaporização do fluído) isso pode prejudicar ou danificar a performance do transmissor e as características físicas e químicas do processo que em caso de vazamento evite contaminações no mesmo.
Podem-se encontrar boas
informações sobre os tipos de fluído de enchimento e compatibilidade físico-química
no link abaixo
A célula é dividida em
duas câmaras (tomadas) a de alta (high
– simbolizada pela letra H) e a de baixa (low
– simbolizada pela letra L), uma diferença de pressão entre essas duas câmaras
produz uma força no diafragma isolador, que é transmitida pelo líquido de
enchimento (daí a importância dele). A força atinge a armadura flexível
(diafragma sensor) provocando a sua deformação, alterando assim o valor
original das capacitâncias formada pelas armaduras fixas e a armadura móvel. A
alteração de capacitância é medida e condicionada pelo circuito eletrônico que
era um sinal proporcional a variação da pressão aplicada à câmara da cápsula de
pressão diferencial capacitiva.
Assim temos:
PH e PL sendo as pressões aplicadas nas câmaras
H e L.
CH = capacitância medida
entre a placa fica do lado H e o diafragma sensor
CL = capacitância medida
entre a placa fica do lado L e o diafragma sensor
d = distância entre as
placas fixas de CH e CL
∆d = deflexão sofrida pelo
diafragma sensor quando aplicada pressão diferencial PD = PH – PL
A capacitância é calculada
por:
Onde:
C = capacitância (F)
(Farad)
ε = constante dielétrica
do meio existente entre as placas do capacitor (F/mm) que depende do material
d = distância entre as
placas (mm)
A = área das placas do
capacitor (mm²)
Se considerar CH e CL como
capacitâncias de placas planas de mesma área e paralelas, quando tivermos PH
maior de PL teremos:
Podemos admitir que a pressão
diferencial (PD) é proporcional à variação da distância (∆d).
- Sensor Strain-Gauge (célula de carga)
Está baseado no princípio
de variação da resistência elétrica de um condutor, quando alterada suas
dimensões (segunda Lei de Ohm).
Pela segunda lei de Ohm
temos
Sendo:
R – Resistência do
condutor (Ω)
ρ – Resistividade do
material (Ω.mm ou Ω.mm²/m)
A – Área da secção
transversal (mm²)
L – Comprimento do
condutor (mm ou m)
A resistência do condutor
é diretamente proporcional a resistividade do material e ao seu comprimento e
inversamente proporcional a área da secção transversal.
E como poderemos alterar a
resistência de um condutor com suas características definidas?
A maneira mais fácil de
alterarmos as dimensões de um condutor é tracionando no sentido axial, conforme
figura abaixo:
Para um comprimento L
temos a variação de ∆L então para um comprimento 10xL teremos uma variação de
10x ∆L, ou seja, quanto maior o comprimento do fio, maior a resistência obtida
e sensibilidade do sensor para uma mesma pressão (força) aplicada.
O sensor consiste de um
fio firmemente colado sobre uma lâmina base, dobrando-se o mais compacto
possível. Esta montagem denomina-se fita extensiométrica onde se observa que o
fio, apesar de solidamente ligado à lâmina de base, precisa estar eletricamente
isolado na mesma. Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio
rígido enquanto a outra será o ponto de aplicação da força. De acordo com a
física sabemos que quando um material sofra uma flexão suas fibras internas são
submetidas a dois tipos de deformação, ocasionadas pela tração e compressão. As
fibras mais externas da lâmina sofrem um alongamento com a tração, pois
pertencem ao perímetro de maior raio de curvatura, enquanto as fibras internas
sofrem uma redução de comprimento que é o menor raio de curvatura.
Como o fio está ligado à
lâmina ele também sofrerá um alongamento, acompanhado a superfície externa,
variando sua resistência. Para aumentar a sensibilidade do sensor, pode-se
utilizar uma configuração conforme a figura abaixo:
Com essa configuração,
utilizando as quatro fitas extensiométicas, percebe-se que “cai como uma luva” a
utilização de uma ponte de Wheatstone, que ainda possuí a vantagem de compensar
as variações de temperatura ambiente, pois os elementos estão montados em um
único bloco.
A saída do sinal do sensor
normalmente é em mV.
- Sensor por silício ressonante
O sensor consiste em uma
cápsula de silício colocada estrategicamente em um diafragma, utilizando o
diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, a fim de que
essa frequência seja proporcional a pressão aplicada.
O sensor possui o sensor
de silício e um imã permanente
Dois fatores influenciam a
ressonância do sensor, além da pressão, o campo magnético do imã permanente posicionado
sobre o sensor e o campo por uma corrente alternada.
A combinação do fator
campo magnético e campo elétrico é responsável pela vibração do sensor. Um dos
sensores ficará localizado ao centro do diafragma (FC) enquanto o outro terá sua disposição
física mais à borda do diafragma (FR).
Por estarem localizadas em
locais diferentes, porém no mesmo encapsulamento, uma sofrerá uma compressão e
a outra tração, conforme a aplicação de pressão sentida pelo diafragma. Desta
maneira, os sensores possuirão uma diferença de frequência entre si.
Esta
diferença é sentida por um circuito eletrônico do transmissor e será
proporcional a pressão diferencial aplicada.
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| Exemplo da proporcionalidade |
- Sensor piezoelétrico
Os elementos
piezoelétricos são cristais, como o quartzo e a turmalina, que acumulam cargas
elétricas em certas áreas da estrutura cristalina quando sofrem uma deformação
física por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta.
O sensor piezoelétrico
converte uma variável de processo medida em uma variação de carga eletrostática
(Q) ou tensão (E) gerada por certos materiais quando mecanicamente estressados.
O stress é tipicamente de forças de compressão ou tração ou por forças de
torção exercida no cristal diretamente por um elemento sensor ou por um elo
mecânico ligado ao elemento sensor. Seu sinal de resposta é linear com a
variação de pressão. São capazes de fornecer sinais de altíssimas frequências
(milhões de ciclos por segundo).
O efeito piezoelétrico é um
fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial elétrico resultará em uma
correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável e
exato.
A carga devida à alteração
da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é um elemento
transmissor ativo. Esta carga é conectada à entrada de um amplificador, sendo
indicada ou convertida em um sinal de saída, para tratamento posterior na
eletrônica do transmissor.
Entendendo os sensores fica mais fácil explicar os transmissores que será abordado posteriormente.
